KR102255430B1 - 마찰 부품, 이러한 마찰 부품을 포함하는 기계 시스템, 및 실시 방법 - Google Patents

마찰 부품, 이러한 마찰 부품을 포함하는 기계 시스템, 및 실시 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 200℃ 이상의 온도에서 윤활 매체에서 작동하기에 적합한 마찰 부품(10)에 관한 것이다. 마찰 부품(10)은 금속 표면(12), 및 5 내지 12% 사이의 원자 비율의 질소를 가지는, 질소로 도핑된 텅스텐 카바이드(WC(N))로 구성되는 외부 코팅(14)을 포함한다. 또한, 본 발명은 이러한 마찰 부품(10)을 포함하는 기계 시스템(1)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 마찰 부품(10)을 실시하기 위한 실시 방법에 관한 것이다.

Description

마찰 부품, 이러한 마찰 부품을 포함하는 기계 시스템, 및 실시 방법
본 발명은 윤활 매체에서 고온을 받을 수 있는 마찰 부품에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 부품을 포함하는 기계 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 부품을 실시하기 위한 실시 방법에 관한 것이다.
본 발명의 분야는, 윤활 매체에서 마찰 감소를 가능하게 하는, 얇은 층으로 코팅된 금속 마찰 부품의 분야이다.
비 제한적인 예로서, 마찰 부품은 자동차용 엔진 세그먼트, 특히 연소 챔버일 수 있다. 실제, 세그먼트는, 윤활 매체가 감소될 수 있는 200℃ 이상의 작동 온도를 받는다.
다른 비 제한적인 예에 따르면, 박막 코팅은 피스톤 핀, 피스톤 스커트(piston skirt), 피스톤의 임의의 다른 부품, 또는 고온 작동을 받을 수 있는 임의의 다른 부품에 도포될 수 있다.
산업상 적용에서, 두 개의 마찰 부품을 분리하는 윤활 필름의 존재는, 이들 두 부품 사이의 접촉이 완전히 없기 때문에, 낮은 수준의 마모를 얻는 것을 가능하게 한다.
일부 경우에, 연속적인 필름이 시간이 지남에 따라 유지될 수 없고, 이는 두 부품 사이의 직접적인 상호작용을 야기한다. 윤활 필름의 단절은 "혼합 영역(mixed regime)" 및 "경계 영역(boundary regime)"에서 윤활의 주요한 특색이다.
자동차 산업에서, DLC("다이아몬드상 탄소(Diamond-Like Carbon)") 얇은 층 코팅이 부품 사이의 마찰을 감소시키기 위하여 광범위하게 사용된다. 실제, DLC 코팅된 부품 사이의 마찰의 감소는 혼합 윤활 영역으로 주로 작동한다.
DLC 코팅의 중요한 특색은, 표면 거칠기가 시간이 지남에 따라 감소하여, 특히 낮은 값을 가지는 경향이 있다. 따라서 경계 영역으로부터 혼합 영역으로, 또는 혼합 영역으로부터 유체 역학 영역으로의 윤활의 전이는 낮은 속도 값으로 바뀐다.
DLC 코팅된 표면과 다르게, 초기에 폴리싱된 강철(steel) 표면은 시간이 지남에 따라 거칠기의 증가가 경험된다. 표면 상에 반응함으로써, ZDTP-유형 내마모 첨가재가 국부적으로 거칠기를 증가하는 아일랜드(island)를 형성한다.
일부 윤활 접촉은 200℃ 이상 온도에서 영구적으로, 그리도 훨씬 더 높은 온도에서 일시적으로 작동한다. 이들 접촉은 좋지 않게 윤활되며, 또한, 이는 거기서 우세하는 고온을 설명한다.
이러한 작동 조건하에서, DLC 코팅의 마모는 상대적으로 빠르다. 아마도 윤활이 상대적으로 감소되고 좋지 않게 제어된다는 사실 때문에, 확률적 행동(stochastic behavior)이 이 마모로 관찰된다.
이후, DLC 코팅은 폴리싱함으로써 마모를 드러내고, 코팅 층은 산화와 유사한 메커니즘에 따라서 소모된다. 코팅 층의 탄소 및 수소는 대기 산소와 결합하여 물과 이산화탄소를 형성한다. 윤활제의 소모 및 마찰 부품 사이의 접촉 인터페이스에서 온도 상승은, 사라질 때까지 DLC 코팅의 산화를 가속화시킨다. 따라서 고온과 조합되어, 좋지 않게 제어되는 윤활의 본질이 마모 속도의 증가를 야기한다.
오늘날, 상기 문제점을 해결하기 위해 두 가지 접근이 가능하다.
제1 접근은, 고온 작동 조건하에서 고강도 및 마찰 감소의 대가로 부족한 윤활을 가지는 크롬 나이트라이드(chromium nitride)를 포함하는 크롬 합금 코팅을 사용하는 것이다. 이 접근은, 통상적으로, 크롬-기반 층으로 코팅되는, 자동차 엔진의 연소 챔버와 같은 기계 시스템의 오래된 설계에 대응한다. 이 접근은 코팅되지 않은 강철과 비교하여 마찰 손실을 낮추는 것을 가능하게 하지 못하지만, 그러함에도 마모 및 스코링(scoring)에 대하여 표면을 보호한다.
제2 접근은, DLC 코팅과 관련된 윤활을 향상시켜, 산소에 대한 보호 및 열 발산을 더 잘하도록 하는 것이다. 이 접근은, 윤활제의 유속, 따라서 상기 윤활제의 순환을 보장하는데 사용되는 에너지를 증가시키는 방식으로, 윤활제를 분배하기 위하여 기계 시스템의 설계의 변경을 필요로 한다. 실제, 이 제2 접근은 추가 설계 비용, 및 코팅에 의해 제공되는 에너지 효율이 풍부한 윤활을 가지기 위하여 필요한 노력에 의해 오프셋되는 사실로 인하여 실시되지 않는다.
본 발명의 목적은, 앞선 언급된 단점을 개선하는 향상된 마찰 부품을 제공하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 금속 표면 및 외부 코팅 층을 가지는 마찰 부품에 관한 것으로서, 외부 코팅 층은, 5 내지 12% 사이의 원자 비율의 질소를 가지는, 질소로 도핑된(doped) 텅스텐 카바이드(WC(N))로 구성되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은, 고 부하 온도, 특히 200℃ 이상의 온도에 대한 저항성을 향상시키면서, 코팅 층이 윤활 매체에, 특히 혼합 윤활 영역에서 받는 마찰을 감소시키는 것을 가능하게 한다.
DLC 코팅과 비교하여, 본 발명의 코팅 재료는, 만족스러운 마찰 감소를 제공하면서, 뛰어난 열적 안정성 및 산화 저항성으로 인하여, 뜨거울 때 훨씬 더 마모에 잘 견딘다.
크롬 나이트라이드(CrN) 또는 텅스텐 카바이드(tungsten carbide)(WC)(중량으로 6% 코발트(Co)를 구비한)의 코팅과 비교하여, 본 발명에 따른, 질소로 도핑된 유형의 텅스텐 카바이드(WC(N))의 코팅 재료는, 만족스러운 산화 저항성을 제공하면서, 마찰 감소를 가능하게 한다.
별개로 또는 조합하여 얻어지는 본 발명의 다른 유리한 특징은 이하 상세히 설명한다.
바람직하게는, 외부 코팅 층은, 5 내지 12% 사이의 전체 원자 비율로, 코발트, 니켈 및 철로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함한다. 첨가제 원소는 순수(pure)할 수 있고, 코팅 층 내에서 5 내지 12% 사이의 원자 비율을 가질 수 있다. 대안적으로, 더 많은 첨가 원소가 코팅 층 내에서 5 내지 12% 사이의 전체 원자 비율로 혼합물을 형성할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 코팅 층은 아래를 포함한다.
- 40 내지 43% 사이의 원자 비율의 탄소
- 40 내지 43% 사이의 원자 비율의 텅스텐
- 5 내지 12% 사이의 원자 비율의 질소
- 5 내지 12% 사이의 전체 원자 비율로, 코발트, 니켈 및 철로부터 선택되는 적어도 하나의 원소
- 0 내지 10% 사이의 전체 원자 비율로, 다른 화합물
바람직한 실시예에 따르면, 외부 코팅 층은, 아래를 구비하며 질소로 도핑된 텅스텐 카바이드(WC(N))로 제조된다.
- 40 내지 43% 사이의 원자 비율의 탄소
- 40 내지 43% 사이의 원자 비율의 텅스텐
- 7 내지 9% 사이의 원자 비율의 코발트
- 5 내지 12% 사이의 원자 비율의 질소
- 0 내지 8% 사이의 전체 원자 비율로, 다른 화합물
실제, 외부 코팅 층은 텅스텐 카바이드(WC)의 타겟에, 질소 흐름의 도입으로 진공 스퍼터링에 의해 형성된다.
코발트, 니켈 및/또는 철은 타겟의 원소이다.
통상적으로, 마찰 부품의 제조는, 외부 코팅 층을 증착하기 전에 코팅될 금속 표면을 에칭, 특히 이온 에칭하는 단계를 포함한다.
특정 실시예에 따르면, 금속 표면은, 금속 표면과 외부 코팅 층 사이의 서브-층의 존재를 배제하고, 외부 코팅 층만으로 코팅된다.
대안적으로, 금속 표면은 외부 코팅 층 아래에 형성된 적어도 하나의 서브-층으로 코팅된다. 이 서브-층은 예를 들면, 크롬 또는 크롬 나이트라이드로 구성된다.
또한, 본 발명은, 앞서 언급된 제1 마찰 부품, 제1 마찰 부품과 윤활 접촉하여 배치된 제2 마찰 부품, 및 마찰 부품 사이의 윤활 접촉 인터페이스에 배치된 윤활제를 포함하는 기계 시스템에 관한 것이다.
특정 실시예에 따르면, 제2 마찰 부품은 제1 마찰 부품과 유사하다. 즉, 제2 마찰 부품은, 금속 표면, 및 금속 표면 상에 증착된 외부 코팅 층을 포함하고, 제2 마찰 부품의 외부 코팅 층은 5 내지 12% 사이의 원자 비율의 질소를 가지는, 질소 도핑된 텅스텐 카바이드(WC(N))로 구성된다.
바람직하게는, 제1 마찰 부품의 외부 코팅 층 및 제2 마찰 부품의 외부 코팅 층은 동일한 성분을 가진다.
대안적으로, 비교되는 코팅 층은 다른 성분을 가질 수 있지만, 그러함에도 질소 원자 비율은 5 내지 12%이다.
또한, 본 발명은 앞서 언급된 마찰 부품을 실시하기 위한 실시 방법에 관한 것이다. 이 방법은 이하 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
- 마찰 부품과 윤활 접촉으로 제2 마찰 부품을 배치하는 단계;
- 마찰 부품 사이의 윤활 접촉 인터페이스에 윤활제를 배치하는 단계; 및
- 마찰 부품 사이의 윤활 접촉 인터페이스가 200℃ 이상의 온도에 도달하는 방식으로 마찰 부품을 작동시키는 단계
본 발명은, 단지 비 제한적인 예로서 주어지며, 첨부된 도면을 참조하여 만들어진 이하의 기재를 읽는다면 더욱 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 기계 시스템의 부분적인 계략 단면도이다.
도 2는 도 1과 유사한 도면으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 기계 시스템을 도시한다.
도 3은 도 1과 유사한 도면으로, 본 발명의 제3 실시예에 따른 기계 시스템을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 코팅 재료를 확인하기 위해 사용되는 시험대의 계략도이다.
도 5, 6, 7은 본 발명에 따른 코팅 재료를 확인하는 여러 단계를 나타내는 그래프이다.
도 1에서, 본 발명에 따른 기계 시스템(1)이 부분적으로 그리고 개략적으로 도시된다.
기계 시스템(1)은 마찰 부품의 접촉 인터페이스(2)에서 윤활제(3)에 의해 분리되는 두 개의 마찰 부품(10, 20)을 포함한다. 실제, 인터페이스(2)는 200℃ 이상의 작동 온도를 받는다. 이 조건하에서, 윤활제(3)는 감소되기 쉽다.
마찰 부품(10, 20)은 병진 및/또는 회전의 상대적인 움직임이 주어진다. 단순화를 위하여, 마찰 부품(10, 20)은 원하는 적용에 적합한, 예를 들면, 기계 시스템(1)의 유형에 적합한 어떠한 형상 및 배치도 가질 수 있다. 마찰 부품(10, 20)은 금속, 바람직하게는 강철(steel)로 만들어진다.
마찰 부품(10)은, 몸체(11), 외부 표면(12) 및 표면(12) 상에 증착되는 외부 코팅 층(14)을 포함한다. 외부 코팅 층(14)은 상부 표면(15) 및 하부 표면(16)을 가진다. 상부 표면(15)은 외부 코팅 층(14)의 증착 동안에 금속 표면(12)에 고정된다. 하부 표면(16)은 윤활 접촉 인터페이스(2)에서 마찰 부품(20)과 마주한다.
마찰 부품(20)은 몸체(21) 및 외부 표면(22)을 포함한다. 마찰 부품은 외부 코팅 층이 없다. 외부 표면(22)은 윤활 접촉 인터페이스(2)에서 마찰 부품(10)과 마주한다.
경계 영역 또는 혼합 영역에서, 코팅 층(14)의 하부 표면(16) 및 마찰 부품(20)의 외부 표면(22)은 마찰 부품(10, 20) 사이의 윤활 접촉 인터페이스(2)에서 국부 접촉한다. 따라서 윤활제(3)는, 인터페이스(2)에서 표면(16, 22) 사이에 불연속적 필름을 형성한다.
윤활제(3)는 예상되는 적용의 기능으로서, 즉, 기계 시스템(1)의 유형의 기능으로서 선택된다. 예를 들면, 윤할제(3)는 통상적인 첨가제를 포함하는 SAE 5W30 오일과 같은 상용 자동차용 윤활제가 될 수 있다.
본 발명에 따르면, 코팅 층(14)은, 5 내지 12% 사이의 원자 비율의 질소가 포함된, 질소로 도핑된 유형의 텅스텐 카바이드(WC(N))의 화합물이다.
실제로, 이러한 코팅 층(14)은 200℃ 이상의 온도에서 윤활 매체 내에서의 작동에 매우 적합하다. 따라서 코팅 층(14)을 포함하는 마찰 부품(10)은 200℃ 이상의 온도에서 윤활 매체를 작동하기에 적절하다.
예상밖으로, 텅스텐 카바이드의 질소로 도핑(doping)은, 텅스텐 카바이드(WC)가 도핑되지 않거나 또는 약간 도핑되는(5% 미만의 원자 비율의 질소) 통상적인 재료와 비교하여, 윤활 매체에서 마찰의 감소를 야기한다.
도 2 및 3에서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기계 시스템(1)이 부분적으로 그리고 개략적으로 도시된다. 제1 실시예와 유사한 기계 시스템(1)의 구성은 동일한 참조 번호를 가진다. 제1 실시예와 비교하여 단지 차이점만 이하 상세히 설명한다.
도 2에서, 마찰 부품(10)은 몸체(11)와 코팅 층(14) 사이에 형성된 서브-층(18)을 포함한다. 표면(12)은 서브-층(18), 이후 코팅 층(14)으로 코팅된다. 비 제한적인 예로서, 서브-층은 크롬 또는 크롬 나이트라이드로 구성될 수 있다. 크롬 나이트라이드는 반응성 마그네트론 스퍼터링에 의해서 증착될 수 있다.
도 3에서, 마찰 부품(20)은 표면(22) 상에 증착되는 외부 코팅 층(24)을 포함한다. 코팅 층(24)은 내부 표면(25) 및 외부 표면(26)을 가진다. 내부 표면(25)은 코팅 층(24)의 증착 동안에 금속 표면(22)에 고정된다. 외부 표면(26)은 윤활 접촉 인터페이스(2)에서 마찰 부품(10)과 마주한다. 윤활제(3)는 두 마찰 부품(10, 20) 사이의 윤활 접촉 인터페이스(2)에서, 코팅 층(14, 24)의 표면(16, 26) 사이의 불연속적인 필름을 형성한다.
특정 실시예에 따르면, 마찰 부품(20)은 또한 본 발명에 따른다. 즉, 외부 코팅 층(24)은 5 내지 12% 사이의 원자 비율의 질소를 가지는, 질소 도핑된 텅스텐 카바이드(WC(N))의 화합물을 가진다. 이 특정 경우에, 마찰 부품(10, 20)의 두 표면(12, 22)은 코팅되고, 코팅 층(14, 24)은 바람직하게는 유사한 화합물을 가진다.
대안적으로, 마찰 부품(20)은 코팅 층(14)의 화합물과 다른 화합물을 가지는 외부 코팅 층(24)을 포함할 수 있다.
또한, 도 2를 참조하여 마찰 부품(10)에 대해서 앞서 기술한 바와 같이, 마찰 부품(20)은 몸체(212)와 코팅 층(24) 사이에 형성되는 서브-층을 포함할 수 있다.
윤활 및 고온의 조건을 견딜 수 있는 이러한 코팅 재료에 대한 확인 방법이 이하 상세히 설명한다.
이 방법은, 강철 견본 상에 코팅 층을 증착하는 것, 이후, 한편으로는 윤활제 내의 마찰에 의해, 다른 한편으로는 350℃ 온도에 대한 저항에 의해 다른 코팅을 특징짓는 것으로 구성된다.
테스트 되는 코팅 재료는, 크롬 나이트라이드(CrN), 텅스텐 카바이드(WC), 질소로 도핑된 텅스텐 카바이드(WC(N)), a-C:H-유형 DLC이다.
코팅을 증착하기 전에, 모든 테스트 부품은 동일한 준비 단계를 겪는다. 테스트 부품은, 경질 박막의 인공 진공 증착의 상태에 따르면, 탈지되어(degreased), 행성 운동(planetary movement)으로 회전 샘플 홀더 상에 위치된다. 이후, 진공 챔버의 펌핑이 수행된다. 펌핑은 150℃로의 가열과 함께 수행되어, 탈착 현상을 활성화하고, 진공의 질을 향상시키는 것을 가능하게 한다. 2시간 30분의 가열 후, 페닝 게이지(Penning Gauge)를 사용하여 측정된 압력은 2x10- 5mbar 이하인 것이 보장된다. 이후, 강철 테스트 부품의 이온 에칭이 견본에 가해지는 -150v의 전압으로 한 시간 동안 아르곤 플라즈마에서 수행된다. 에칭 후, 테스트 부품의 보호 산화물은 사라지고, 표면은 증착물을 수용하기에 적합하다.
크롬 나이트라이드 증착은 반응성 마그네트론 스퍼터링에 의해 수행된다. 테스트 부품의 이온 에칭의 종료 동안, 표면을 5분 동안 세척하기 위하여 프리-스퍼터링 커버 뒤에, 마그네트론 음극이 5킬로와트의 전력에서 여기된다. 에칭의 종료에서, 이온-보조 플라즈마가 유지되고, 바이어스 전압(bias voltage)이 -50v로 떨어지고, 커버는, 얇은 크롬 층이 증착되기 시작하는 방식으로 개방된다. 이 층의 증착 동안, 플라즈마에서 크롬 원자에 의해 방출되는 강도는 520nm 파장에서 측정된다. 이 광 강도는 100으로 정규화되고, 크롬에 의해 방출되는 광이 순수 아르곤에 의해 방출되는 강도의 50%의 값으로 감소할 때까지 질소 흐름이 도입된다. 따라서 3시간의 증착에 거쳐, 크롬 나이트라이드(CrN) 층이 2.7㎛의 두께, 10mN 하의 1900Hv 경도로 얻어진다.
텅스텐 카바이드 증착물은, 코발트 바인더의 질량 6%를 가지는 텅스텐 카바이드의 타겟을 스퍼터링함으로써 형성된다. 타겟은 이온 에칭의 종료에서 5분 동안 커버 하에서 세척된다. 일단 이온 에칭이 완료되면, 플라즈마 이온 보조는 종료되고, 텅스텐 카바이드(WC)의 증착을 시작하기 위하여 프리-스퍼터링 커버가 개방된다. 증착 3시간 후, 층이 2.1㎛의 두께, 10mN 하의 1900Hv 경도로 얻어진다.
질소 도핑된 텅스텐 카바이드 증착물은 스퍼터된 플럭스(flux) 내에 반응성 가스 흐름을 도입함으로써 제조된다.
질소의 60sccm으로부터 질소 유속과 관계없이, 코팅 층의 화합물은 안정적이고, EDX 분석은 40% 탄소, 12% 질소, 8% 코발트 및 40% 텅스텐을 포함하는 화합물을 나타낸다. 이 조건하에서, 질소 도핑된 증착물은, 반응성 가스 없이 텅스텐 카바이드(WC) 증착물의 경도보다 상당히 높은 2900Hv의 경도를 가진다.
증착물의 특성은 아래의 표 1로 요약된다. WC0로부터 WC4까지 기록된 증착물은 질소의 포화까지 질소의 증가하는 흐름으로 만들어진다(여기서 사용된 증착 조건의 특정 경우에 60sccm)
질소로 도핑된 텅스텐 카바이드 증착물
참고 N(%) Co(%) W(%) C(%) Hv
(Kg·mm-2)		 E
(GPa)		 준수
WC0 0 10 45 45 2200 270 NC
WC1 2 10 44 44 2400 290 NC
WC2 5 9 43 43 2850 305 C
WC3 9 9 41 41 2950 310 C
WC4 12 8 40 40 2900 315 C
마지막으로, a-C:H DLC 유형의 증착은, 문헌 WO2012/156647에서 기술된 바와 같이, PACVD와 비교하여 DLC 층의 접착을 향상시키기 위한 화합물을 얻기 위하여 탄소가 점진적으로 풍부한 텅스텐 카바이드(WC)-기반의 서브-층을 증착하기 위하여 PVD 증착 기술의 조합에 의해 수행된다. 따라서 얻어지는 증착물은 0.8㎛ 두께의 텅스텐(W)-기반 층으로 구성되고, DLC의 2.2㎛ 층이 증착된다. 전체 증착물 두께는 3㎛이고, 표면 경도는 3200Hv이다.
도 4 내지 7은 테스트 부품 상의 일련의 마찰 공학적(tribological) 테스트로 구성되는 제1 특성 테스트를 나타낸다.
도 4는 트라이보미터(tribometer)를 포함하는 시험대(30)의 개략도이다. 일련의 테스트의 목적은, 강철/강철 접촉과 비교하여. 윤활 매체에서 마찰을 감소하기 위한 특정 코팅 재료의 포텐셜을 증명하는 것이다. 코팅의 효과만을 테스트하기 위하여, 테스트는 동일한 조건하에서 수행되는 것이 보장된다. 특히, 모든 테스트 부품은 동일한 초기 거칠기를 가진다.
시험대(30)는, 강철로 만들어진 두 개의 테스트 부품(41, 42), 즉 실린더(41) 및 디스크(42)로 이루어지는 기계 시스템(40) 내에서 마찰을 특징짓기 위해 사용된다. 연속적인 테스트가 복수의 시스템(40), 따라서 여러가지 테스트 부품(41, 42)을 실시한다. 기준 시스템(40)에서, 테스트 부품(41, 42)은 코팅을 수용하지 않고, 이는 강철/강철 접촉 표면을 특징짓는 것을 가능하게 한다. 다른 시스템(40) 각각에서, 테스트 부품(41, 42)은 동일한 코팅 재료를 수용한다. 서로에 대하여 맞비비는 두 개의 코팅된 테스트 부품(41, 42)은 도 3의 구성에 대응한다.
테스트에 사용되는 실린더(41)는 롤러 베어링으로부터 100Cr6 강철 실린더 롤러이다. 실린더(41)는 10mm의 직경을 가진다. 실린더(41)의 표면은 0.02㎛ 미만의 산술 평균 거칠기 Ra를 얻기 위하여 적어도 하나의 모면(generatrix) 상에 폴리싱되고, 이후, 이 모면은 테스트 재료로 코팅된다.
테스트에 사용되는 디스크(42)는 직경 25mm, 두께 5mm를 가진다. 각 디스크(42)의 편평한 표면은 0.02㎛ 미만의 평균 거칠기 Ra로 폴리싱되고, 이후 테스트 재료로 코팅된다.
테스트를 수행하기 위하여, 디스크(42)는 상용 자동차용 윤활제, 이 경우에, 통상적인 첨가제를 포함하는 43 SAE 5W30 유형의 오일로 채워진 탱크(32)에 설치된다. 이 오일(43)은 경계 윤활 영역에서 강철/강철 접촉에 대하여 대략 0.12 내지 0.13의 마찰 계수를 얻는 것을 가능하게 한다. 디스크(42)는 오일(43)에 잠긴 채로 탱크(43) 내에 고정된다.
실린더(41)는, 테스트 부품(41, 42)이 서로 접촉될 때, 디스크(42)의 폴리싱된 표면과 실린더(41)의 자기-정렬을 가능하게 하는 가요성 강철 블레이드에 의해 매달린 지지부(31) 상에 장착된다. 마찰 측정에 편향을 야기하지 않는 방식으로, 테스트 부품(41, 42) 사이의 접촉의 기하학적 구조가 완벽하게 제어되는 것을 보장하는 한, 이 자기-정렬 시스템은 테스트를 정확하게 수행하기 위해 필수적이다. 평면 실린더 접촉에서 테스트 부품(41, 42)의 정렬은 이러한 테스트에서 주요한 어려움이다.
실린더(41)의 지지부(31)는, 실린더(41)의 코팅된 모면과 디스크(42)의 코팅된 평면 표면 사이의 윤활 접촉을 마주하여 위치되는 압전 센서(33)에 의해 트라이보미터의 나머지에 연결된다. 센서(33)는 마찰 계수가 결정되는 접선력 Ft을 측정하는 것을 가능하게 한다.
실린더(41)와 디스크(42) 사이의 윤활 접촉 인터페이스는 모면을 따라 4mm 길이이고, 마찰 방향으로 35㎛의 접촉 너비이다. 21N인 수직 하중 Fn을 가함으로써, 접촉 압력이 200MPa로 얻어진다. 테스트 부품(41, 42)의 정렬 이외에, 접촉 압력은 마찰 계수를 결정하는데 필수적 요소이다.
동역학적인 관점에서, 코팅 재료의 본질과 관계없이, 실린더(41)는 디스크(42)보다 더 빠르게 마모된다. 따라서, 실린더(41)는 테스트 후에 어떠한 상당한 마모가 존재하지 않는 것을 보장하는 것이 중요하다. 사실상, 테스트 후 실린더(41)의 마모는 접촉 면적의 확대로 인하여 접촉 압력의 감소를 야기한다. 그러므로, 마찰 감소는 더 이상 코팅 재료에만 관련된 것이 아니고, 또한, 마모로 인한 접촉 압력의 강하에 관한 것이기도 하다. 이를 방지하기 위하여, 1200 등급 SiC 연마 페이퍼로 코팅된 디스크(42)의 광 폴리싱이 수행된다. 이 폴리싱은 표면의 피크를 제거하여, 실린더(41)의 마모율의 상당한 감소를 유도한다. 테스트의 종료에서, 마찰 트랙의 너비가 체크된다. 트랙의 너비가 45㎛를 초과하면 테스트는 거절된 결과이다. 도시된 모든 결과에 대하여, 마찰 트랙의 너비는 35와 45㎛ 사이이고, 상당한 마모가 일어나지 않았음을 나타내고, 따라서 마찰은 코팅 재료의 본질에 기인한 것이다.
디스크(42)는, 병진 장치(43)에 의해서 왕복 선형 운동으로 병진 이동가능하다. 이 경우에, 디스크(42)는 볼 베어링 레일(35) 상에 위치되고, 로드(36)에 의해 회전으로 이동가능한 편심 요소(37)에 연결되는 용기(32) 내에 고정된다. 편심 요소(37)는 간략화를 위해 도시되지 않은 모터에 의해 회전된다. 이 장치(34)는 용기(32)에, 따라서 디스크(42)에, 사인 법칙에 따라 10mm 스트로크로 왕복 선형 운동으로 연통하는 것을 가능하게 한다.
오일(43)은 용기(32) 내에서 110℃로 가열되고, 이후, 장치(34)는 드럼(32)을 전후진 운동으로 구동한다. 예비 1 시간 테스트가 21N의 수직 하중 Fn, 300rpm의 편심 요소(37)의 회전 속도로 수행된다. 이 예비 테스트는 표면을 갈고 마찰을 안정화하는데 사용된다.
안정화된 마찰을 얻을 후에, 3분 테스트가 300, 450, 600 및 750rpm의 편심 요소(37)의 회전 속도로 수행된다. 이 테스트로부터, 디스크(42)의 병진 속도에 따른 마찰 계수의 진전이 추출된다.
도 5는 주어진 코팅 재료에 대하여 테스트 벤치(30)에 맞춰진 압전 센서(33)로 수행된 측정을 나타내는 그래프이다.
x축은 초로 시간 T를 나타낸다. 좌측 좌표축은 뉴턴으로 접선력 Ft를 나타낸다. 우측 좌표축은 mm/s로 디스크(42)의 변위 속도 V를 나타낸다.
도 5의 그래프는, 시간 T의 함수로서, 디스크(42)의 변위 속도 V를 나타내는 사인 곡선 V42, 및 센서(33)에 의해 측정된 접선력 Ft를 나타내는 곡선 FT40을 도시한다.
도 6의 그래프는, 주어진 코팅 재료에 대한 측정으로부터, 디스크(42)의 순간 변위 속도 V에 따른 마찰 계수 Cf의 진전을 나타내는 곡선 Cfi를 도시한다.
x축은 곡선 V42로부터 얻어지는 mm/s의 순간 속도 V를 나타내고, y축은 곡선 FT40으로부터 결정되는 순간 마찰 계수 Cf를 나타낸다.
도 7은 다른 코팅 재료에 대한 마찰 계수 Cf의 진전을 나타내는 그래프이다. 이 그래프에 도시된 각 곡선은 주어진 코팅 재료에 대한 도 6의 곡선 Cf에 대응한다.
x축은 mm/s의 순간 속도 V를 나타내고, y축은 순간 마찰 계수 Cf를 나타낸다.
도 7의 그래프는 이하를 도시한다.
- 코팅되지 않은 테스트 부품(41, 42)(강철/강철 접촉)으로 얻어진 결과에 대응하는 기준 곡선 Cf0
- 크롬 나이트라이드(CrN/CrN 접촉)로 코팅된 테스트 부품(41, 42)으로 얻어진 곡선 Cf1
- 도핑되지 않은 기준 텅스텐 카바이드(WC/WC 접촉)로 코팅된 테스트 부품(41, 42)으로 얻어진 곡선 Cf2
- 2%의 원자 비율을 가지는, 질소로 도핑된 기준 텅스텐 카바이드 WC1 (WC(N)/WC(N) 접촉)으로 코팅된 테스트 부품(41, 42)으로 얻어진 곡선 Cf3
- 5%의 원자 비율을 가지는, 질소로 도핑된 기준 텅스텐 카바이드 WC2 (WC(N)/WC(N) 접촉)으로 코팅된 테스트 부품(41, 42)으로 얻어진 곡선 Cf4
- 9%의 원자 비율을 가지는, 질소로 도핑된 기준 텅스텐 카바이드 WC3 (WC(N)/WC(N) 접촉)으로 코팅된 테스트 부품(41, 42)으로 얻어진 곡선 Cf5
- 12%의 원자 비율을 가지는, 질소로 도핑된 기준 텅스텐 카바이드 WC4 (WC(N)/WC(N) 접촉)으로 코팅된 테스트 부품(41, 42)으로 얻어진 곡선 Cf6
- a-C:H 유형의 DLC(DLC/DLC 접촉)로 코팅된 테스트 부품(41, 42)으로 얻어진 곡선 Cf7
마찰 계수 Cf의 두 가지 유형의 진전이 도 7로부터 구별될 수 있다.
제1 그룹의 재료는, 강철, 크롬 나이트라이드(CrN), 도핑되지 않은 텅스텐 카바이드(WC), 및 조금 도핑된 텅스텐 카바이드(WC(N))(5% 미만의 원자 비율의 질소)를 포함한다. 이들 재료는 슬라이딩 속도 V가 증가할 때 점진적으로 감속하는 0.12 이상의 마찰 계수 Cf로 특징된다. 이 마찰 레벨은 경계 윤활 영역에서 매우 통상적이고, 오일(43) 내에서 함유된 ZnDTP 첨가제로부터 형성되는 표면(트라이보필름(tribofilm)) 상에 성장하는 내마모 반응성 필름의 전단(shear)에서 매우 통상적이다. ZnDTP 첨가제는 표면 상에 반응하고 아연(Zn) 폴리인산(polyphosphate)의 트라이보필름을 형성함으로써 분해될 수 있다. 마찰 표면은 초기에 폴리싱되지만, 경계 윤활 영역에서의 마찰은 아일랜드(island)의 형태로 발생되는 트라이보필름의 거칠기에 의해 유발된다. 광학 현미경을 사용하는 평면과 실린더의 관찰은 이들 아일랜드의 존재를 밝혔고, 두께에 따라서 파란색 및 갈색이다.
제2 그룹의 재료는, 질소 도핑된 텅스텐 카바이드(WC)의 층을 포함하고, 질소 내용물은 5%의 원자 비율에 도달하거나 초과하고, 기준 WC2, WC3, WC4 및 a-C:H 유형의 DCL에 대응한다. 이들 재료는 슬라이딩 속도 V가 증가할 때 감소하는 마찰 계수 Cf로 특징된다. 이 경향은 혼합 윤활 영역에서 통상적이다. 이 영역에서 마찰 감소는, 테스트 후에 마찰 표면이 부드럽게 유지되는 사실에 의해 달성된다. 마찰 계수가 감소하는 속도는, 테스트 후에 테스트 부품의 거칠기의 반영이다. 여기서 테스트된 모든 재료 중에서, DLC는 가장 큰 마찰 감소를 유발한다. 테스트 후에 마찰 표면을 관찰시 트라이보필름의 어떠한 명백한 존재를 보여주지 못했다. 이들 필름은, 통상적인 트라이보필름과 비교하여 존재하지 않거나 또는 상당히 감소된 두께이다. 줄어든 두께는, 아일랜드의 구조이고, 거칠기를 제공하는 두께인 경우에 한해서, 초기에 폴리싱된 표면 상에 거칠기 제한을 야기한다.
DLC에 대하여, 아마도 ZnDTP에 대한 낮은 친화도를 야기하는 비-금속 본질이다. 텅스텐 카바이드의 산소 또는 질소 도핑은 ZnDTP와의 친화도를 상당히 감소시키는 것으로 보인다. 예상밖으로, 상기 5%의 원자 비율의 질소의 WCCO의 증착물 내에 질소의 추가는 도핑되지 않거나 또는 조금 도핑된 층과 비교하여 마찰 감소를 야기한다.
편평한 코팅된 테스트 부품을 사용하여 코팅 재료의 제2 특성 테스트가 수행된다.
이 테스트는 2시간 동안 공기에서 350℃로 테스트 부품을 가열하는 것으로 구성된다. 코팅 층의 두께는, 재료가 그대로 남는 것을 보장하기 위하여 가열 전후로 측정된다. 350℃의 온도의 선택은 산화 동역학을 가속화하고, 수십 시간이 아니라 몇 시간의 테스트 기간 내에 재료를 분류하는 것을 가능하게 한다.
아래의 표 2는 가열 전후에 각 코팅 층에 대한 두께 측정을 나타낸다. 증착물의 두께는 칼로테스트(Calotest)에 의해 특징된다.
가열 전후의 코팅 두께
코팅 재료 초기 전체 두께(㎛) 350℃에서 2시간 가열 후
전체 두께(㎛)
CrN 2.7 2.7
WC(기준 WC0) 2.1 2.1
강철 - -
WC(N)(기준 WC1) 2.2 2.1
WC(N)(기준 WC2) 2.1 2.1
WC(N)(기준 WC3) 2.3 2.3
WC(N)(기준 WC4) 2.4 2.4
a-C:H 유형 DLC 3.0 0.8
DLC를 제외하고, 모든 코팅 층은 가열 후 동일한 두께를 가지고(측정의 정확도 범위 내에서), 이는 산화가 상당하지 않다는 것을 나타낸다. 또한, 시각적 외형이 변형되지 않은 채로 남아 있는 사실로 확인된다. 온도 및 지속은 산화가 너무 작아서 감지될 수 없다. 반대로, 전체 a-C:H DLC 증착물은 산화로 인하여 사라졌다. DLC를 잡는 역할을 하는 WCC 유형 서브-층만 제 위치에 남는다. 산화 후 초기에 검은 표면이 금속 광택 상에 얻어지는 한, 표면의 시각 검사는 산화 및 DLC의 소멸을 증명하기에 충분하다.
아래 표 3은 앞선 다양한 테스트에 의해 결정되는 코팅의 특성을 나타낸다. 특히, 350℃의 적당한 온도에서 코팅의 저항성뿐만 아니라, 50mm/s와 300mm/s의 슬라이딩 속도 사이에서 마찰 계수의 진전을 보여준다.
코팅의 특성
코팅 재료 50mm/s에서 Cf 300mm/s에서 Cf 350℃에서
산화에 대한
저항성		 준수
CrN 0.140 0.126 YES NC
WC(기준 O) 0.135 0.123 YES NC
강철 0.135 0.121 NA NC
WC(N)(기준 1) 0.130 0.118 YES NC
WC(N)(기준 2) 0.132 0.095 YES C
WC(N)(기준 3) 0.145 0.097 YES C
WC(N)(기준 4) 0.142 0.093 YES C
a-C:H 유형 DLC 0.118 0.014 NO NC
크롬 나이트라이드(CrN), 질소로 도핑되지 않은 텅스텐 카바이드(WC)(기준 WC0), 질소로 조금 도핑된 텅스텐 카바이드(WC(N))(기준 WC1)는, 본 발명에 따르지 않는 경화 층이다. 윤활 매체의 마찰이 코팅되지 않은 폴리싱된 강철에 관하여 마찰 감소를 야기하지 않는다. 이들 재료는 350℃의 적당한 온도에서 저항할 수 있다.
윤활 매체로 광범위하게 사용되는 DLC 코팅은 또한 본 발명에 따르지 않는다. 실제, 윤활 매체에서 마찰 감소는 상당하지만, 350℃ 온도로의 노출이 산화 코팅의 파괴를 야기한다.
기준 WC2, WC3, WC4의 커버링 텅스텐 카바이드(WC(N))가 본 발명에 관한 것이다. 도핑되지 않거나 조금 도핑된 텅스텐 카바이드(WC)와 다르게, 윤활 매체에서 상당한 마찰 감소가 관찰된다. 이 감소는 DLC에 관한 것만큼 과하지는 않지만, 이들 재료는 350℃ 온도로의 노출로 인한 저하를 겪지 않는 장점을 가진다.
통상의 기술자는 상기 설명에서 언급된 다양한 실시예 및 변형의 기술적 특성이 전체 또는 그들의 일부로서 서로 조합될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서 마찰 부품(10)은 비용, 기능성 및 성능 면에서 적합할 수 있다.

Claims (12)

  1. 금속 표면(12) 및 외부 코팅 층(14)을 가지는 마찰 부품(10)으로서,
    상기 외부 코팅 층(14)은, 질소로 도핑된(doped) 텅스텐 카바이드(WC(N))로 구성되며,
    상기 외부 코팅 층(14)은,
    - 40 내지 43%의 원자 비율의 탄소
    - 40 내지 43%의 원자 비율의 텅스텐
    - 5 내지 12%의 원자 비율의 질소
    - 7 내지 9%의 원자 비율의 코발트
    - 0 내지 8%의 전체 원자 비율로, 다른 화합물
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 부품.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 표면(12)은 외부 코팅 층(14)만으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 마찰 부품.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 표면(12)은 외부 코팅 층(14) 아래에 형성된 적어도 하나의 서브-층(18)으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 마찰 부품.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 서브-층(18)은 크롬 또는 크롬 나이트라이드로 구성되는 것을 특징으로 하는 마찰 부품.
  8. - 청구항 1 또는 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 따른 제1 마찰 부품(10),
    - 상기 제1 마찰 부품(10)과 윤활 접촉하여 배치된 제2 마찰 부품(20), 및
    - 마찰 부품(10; 20) 사이의 윤활 접촉 인터페이스(2)에 배치된 윤활제를 포함하는 기계 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 마찰 부품(20)은, 상기 제1 마찰 부품(10)과 직접적으로 윤활 접촉하여 배치된 금속 표면(22)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 마찰 부품(20)은, 금속 표면(22), 및 상기 금속 표면(22) 상에 증착된 외부 코팅 층(24)을 포함하고, 상기 제2 마찰 부품(20)의 외부 코팅 층(24)은 5 내지 12%의 원자 비율의 질소를 가지는, 질소 도핑된 텅스텐 카바이드(WC(N))로 구성되는 것을 특징으로 하는 기계 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 마찰 부품(10)의 외부 코팅 층(14) 및 상기 제2 마찰 부품(20)의 외부 코팅 층(24)은 동일한 성분을 가지는 것을 특징으로 하는 기계 시스템.
  12. 청구항 1 또는 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 따른 마찰 부품(10)을 실시하기 위한 실시 방법으로서,
    상기 실시 방법은,
    마찰 부품(10)과 윤활 접촉으로 제2 마찰 부품(20)을 배치하는 단계;
    마찰 부품(10; 20) 사이의 윤활 접촉 인터페이스(2)에 윤활제(3)를 배치하는 단계; 및
    마찰 부품(10; 20) 사이의 윤활 접촉 인터페이스(2)가 200℃ 이상의 온도에 도달하는 방식으로 마찰 부품(10; 20)을 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시 방법.
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